Analizar los nueve sistemas eléctricos de la uav

Para que los drones sigan mejorando el rendimiento del vuelo, las baterías deben volverse más pequeñas y ligeras. Cuando se trata de densidad de potencia, podemos ver que hemos alcanzado un cierto límite. Las baterías de iones de litio y de litio se han vuelto pequeñas y asequibles, en gran parte como resultado de la industria de la telefonía móvil. Como resultado, estas baterías se utilizan ampliamente, y es justo decir que la gran mayoría (96%) de los drones actuales usan baterías como fuente de energía.

Simplemente agregar baterías a un sistema de drones no extenderá su tiempo de vuelo ni su capacidad de carga útil. Dado el estado de la técnica para fuentes de energía específicas, lograr cargas útiles más altas y tiempos de vuelo más largos requiere una serie de consideraciones: energía específica de masa (energía por unidad de masa) y energía específica de volumen (energía por unidad de volumen).

El solo hecho de pensar en la fuente de energía no es la forma correcta, porque todo el sistema (energía + sistema de propulsión) afecta el rendimiento del vuelo. Si el sistema de propulsión, como una turbina o una pila de combustible, es muy pesado, una fuente con una densidad de energía muy alta, como el queroseno o el H2, no servirá de mucho.

Los factores de eficiencia de propulsión también varían ampliamente: los sistemas que funcionan con baterías convierten el 73 por ciento de su energía en energía, las celdas de combustible el 44 por ciento y los motores de combustión solo el 39 por ciento.

Otro factor que afecta el uso de energía es su misión esperada. ¿Deberían los drones volar más tiempo o transportar cargas más altas? ¿Deberían los drones volar dentro de un radio limitado o por encima de nubes distantes? Estos problemas tienen un gran impacto en el uso de la energía, diferentes esquemas de operación para elegir diferentes fuentes de energía.

Cuando consideramos los sistemas de propulsión, las misiones y la necesidad de aumentar la densidad de energía, volvemos a la fuente. La siguiente figura muestra la densidad de energía específica de cada fuente en una escala logarítmica:

Una batería

Sí, baterías de nuevo. Las baterías tienen muchas ventajas: se pueden cargar en cualquier lugar, se pueden transportar sin restricciones en la mayoría de los casos y se pueden reponer fácilmente reemplazando el bloque de baterías sin desbordamientos ni calor.

Li-po y li-ion son las fuentes más comunes de drones, pero eso no significa el final. En comparación con las baterías li-po, las baterías li-socl2 tienen más del doble de densidad de energía por kilogramo, mientras que las baterías de li-aire tienen más de siete veces la densidad de energía por kilogramo. Ambas baterías no se utilizan mucho, en parte porque son demasiado caras. Las baterías de Li-s podrían reemplazarse por baterías de iones de litio debido a su alta densidad de energía y al costo reducido del azufre.

Pila de combustible de hidrógeno

Las pilas de combustible tienen muchas ventajas: sin contaminación directa, sin sonido, y funcionan con una fuente muy potente, H2. Compare la densidad de energía del H2 líquido con la de una batería de iones de litio, ¡y el coeficiente entre ellos es 150! Eso por sí solo es suficiente para llevar los drones de hidrógeno al mercado.

Protonex, una unidad del desarrollador de sistemas de energía ballard de celdas de combustible, quiere aprovechar estas oportunidades. Insitu, una división del gigante aeroespacial estadounidense Boeing, exhibió recientemente sus celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Boeing fabrica drones de ala fija de larga duración de grado militar e industrial, como PhantomEye y ScanEagle.

FSTDSingapore ya ha logrado avances en el campo de los sistemas de energía de demanda de hidrógeno sólido. El desarrollador de robótica H3Dynamics también ha presentado su dron de ala fija de lanzamiento manual, Hywings, que puede volar hasta 10 horas con un alcance de hasta 500 km.

El dron Hycopter lanzado por HorizonUnmannedSystem puede volar hasta cuatro horas con carga cero y 2.5 horas con dos libras de carga. El dron elimina el almacenamiento de energía utilizando su estructura "hueca" para almacenar energía como hidrógeno en lugar de aire.

La empresa MicroMulticopterAeroTechnology (MMC) para vehículos aéreos no tripulados (uav) lanzó celdas de combustible de hidrógeno comerciales "celda de combustible" H - 1. Además, MMC diseñó y fabricó el primer avión no tripulado impulsado por hidrógeno del mundo, el "" HyDrone1550 "".

La empresa KoreanHyliumIndustries está desarrollando un tiempo de vuelo que puede ser de hasta 4 horas en vehículo aéreo no tripulado (uav); El EnergyOr h2quad-1000 de Montreal puede volar durante dos horas con una carga útil de un kilogramo.

Se ha afirmado que el sistema de celda de combustible refrigerado por aire de IntelligentEnergy, que se basa en hidrógeno y aire ambiental, se ha utilizado para generar una fuente de alimentación de corriente continua limpia, y la batería en sí es simple en estructura, liviana, fuerte y económica. eficaz. Tiene una relación de energía a masa más alta que los sistemas basados en baterías y se puede cargar completamente en minutos.

Metroskyways, una subsidiaria de UrbanAeronautics, anunció en abril de 2017 que la compañía estaba desarrollando un CityHawk, un vehículo de vuelo de despegue y aterrizaje vertical impulsado por hidrógeno que puede ser utilizado por hasta cuatro personas.

Gasolina, queroseno, metanol, etanol, gas propano licuado de petróleo

Hay una serie de soluciones maduras a gasolina disponibles, algunas de las cuales tienen un excelente rendimiento de vuelo. Los pingüinos de UAVFactory inc. Los drones de alas fijas pueden volar durante más de 20 horas cuando el tanque está lleno, y los CAMCOPTERS 100 de Siebel pueden volar durante seis horas cuando el tanque está lleno.

La ventaja de esta fuente de energía es la combinación de alta energía específica de masa [Wh / kg] y energía específica de volumen [Wh / l]. En comparación con las baterías li-po, la gasolina tiene una densidad de masa de 48 veces y una densidad de volumen de 13X. Además, el motor de combustión interna es fuerte, compacto, liviano y con un buen índice de consumo de combustible.

Cuando se trata de resistencia, otra ventaja de los drones a gasolina es que, con el tiempo, el peso más fuerte hace que la plataforma sea más liviana, lo que aumenta el alcance.

Mezcla de gas y electricidad

Los productos de PegasusAeronautics y YEAIR Berlin, con sede en Waterloo, Ontario, son excelentes ejemplos de motores híbridos. Las empresas combinan la rápida respuesta de los motores eléctricos con los beneficios de volar con gasolina.

V. energía solar

En los últimos años, la eficiencia de las células solares ha aumentado del 10% a casi el 46%, alcanzando una relación de potencia de aproximadamente 175 W / m2. Obviamente, esto requiere que toda la superficie del ala esté cubierta con una gran área de paneles solares, para que pueda funcionar como un dron multirrotor.

Las empresas de tecnología de Silicon Valley también están explorando el potencial de los drones con energía solar: Facebook espera llevar redes inalámbricas a rincones remotos del mundo con sus drones de energía solar Aquila (gran altitud, larga duración) y el ahora desaparecido Titan de Google X proyecto.

El zephyr de Airbus es un pseudosatélite de gran altitud (HAPS) diseñado para cerrar la brecha de capacidad entre satélites y drones. Alimentado por energía solar, el zephyr puede volar por encima del clima y el tráfico aéreo comercial a una altitud de 70,000 pies. El programa de halcones solares de Boeing se canceló en 2012.

OpenRobotixLabs está desarrollando el Mars xsol-e1, un quadcopter que funciona con energía solar. Un portavoz de la compañía señaló que el tiempo de vuelo depende de varios factores, pero en general, podemos extender el vuelo de 15 minutos a 40 a 45 minutos con tecnología de asistencia solar.

Vi. Mezcla de energía solar

La resistencia del híbrido solar (solar + célula) es asombrosa. AltaDevices y PowerOasis han anunciado que se están asociando para desarrollar el primer dron pequeño del mundo que integra sistemas alimentados por baterías solares y de iones de litio. El marco de referencia del uav es de 2 a 4 metros y UTILIZA una batería de iones de litio de 5 a 7 s. Los planes para el dron se lanzarán a finales de 2017.

Siete, amarre

El sistema de amarre puede volar indefinidamente dentro de un pequeño radio, lo que lo convierte en una opción perfecta para vigilancia y reconocimiento. Los amarres T1 de MMC son compatibles con la mayoría de drones, como TDrone1200, DJI Matrice600, DJI S1000, Yuneec TyphoonH, Intel Falcon8 + y Microdrones md4-1000. Bluevigil, Elistair, DroneAviationCorp y SPHEngineering tienen proyectos similares.

Supercondensadores

¿Podrían las capas monoatómicas de grafito llevar los ultracondensadores a nuevas alturas? En febrero de 2015, ge patrocinó una investigación sobre ultracondensadores. Las fuentes de energía primaria como los motores de combustión interna, las celdas de combustible y las baterías funcionan bien como fuentes continuas de baja potencia, pero no manejan eficientemente la potencia máxima o la energía reciclada porque se descargan y recargan muy lentamente. Los supercondensadores pueden proporcionar una ráfaga rápida de energía en la demanda máxima de energía, luego almacenar rápidamente la energía y capturar cualquier energía residual que pueda perderse.

Los condensadores pueden parecer muy por detrás de la densidad de energía de la batería, pero parecen ser un gran vehículo para mejorar las configuraciones híbridas ágiles.

Nueve, láser

LaserMotive ha desarrollado la tecnología powerchain para drones, un dron de haz de energía con un receptor láser. En 2012, Lockheed Martin, con la ayuda de LaserMotive, presentó su dron "Stalker", que voló durante 48 horas sobre un sistema de carga láser. "Los sistemas tierra-aire como este nos permiten brindarle a Stalker una resistencia de vuelo casi ilimitada, extendiendo el perfil de misión que Stalker puede lograr", dijo TomKoonce, gerente de proyectos de Stalker.

AscendingTechnologies of Germany y LaserMotive demostraron su eficiencia en 2010 con un pequeño dron que voló durante 12 horas en un quad.

Al final

Todas las fuentes de energía de los drones tienen sus propias ventajas en misiones específicas. Las soluciones híbridas (sistemas de fuente y propulsión) satisfacen las necesidades de la transición a energías limpias. Ahora, debido a que las mezclas pueden ser una técnica separada que equilibra los pros y los contras, combinar lo mejor de ambos mundos parece una elección inteligente. También es un movimiento inteligente mirar otros sectores líderes, como los automóviles, especialmente cuando se trata de reducir los costos futuros de la producción en masa y la infraestructura.

La página contiene el contenido de la traducción automática.